装卸料小车多方式运行的PLC控制系统设计

唐山工业职业技术学院唐山工业职业技术学院 毕业设计 论文 创作 说明书毕业设计 论文 创作 说明书 题目装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 系别 自动化工程系 班级 10 电气 12 姓名 崔长远 学号 108993339 指导教师 石连文 2013 年 04 月 20 日 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 目目 录录 摘要 1 关键字 1 一 概述 2 1 1 控制系统在运输小车中的作用与地位 2 1 2 运料小车的发展概况 2 1 3 本课题研究的主要内容 2 二 功能需求分析 2 2 1 控制系统介绍 2 2 2 可编程控制器 PLC 的特点 3 2 3 运输小车系统方案的选择 4 2 4 运料小车控制系统的控制内容与要求 4 2 5 方案论证 5 三 具体设计 6 3 1 PLC 的选择和程序设计 6 3 2 系统变量定义及分配表 6 3 3 控制系统程序设计 7 3 4 系统接线图设计 7 3 5 系统调试及结果分析 15 四 总结 16 参考文献 17 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 0 装卸料小车多方式运行的装卸料小车多方式运行的 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 1010 电气电气 1212 崔长远崔长远 摘 要 早期运料小车电气控制系统多为继电器 接触器组成的复杂系统 这种系统存在 设计周期长 体积大 成本高等缺陷 无数据处理和通信功能 必须有专人负责操作 将 PLC 应用到运料小车电气控制系统 可实现运料小车的自动化控制 降低系统的运 行费用 PLC 运料小车电气控制系统具有连线简单 控制速度快 可靠性和可维护性好 易于安装 维修和改造等优点 随着经济的发展 运料小车不断扩大到各个领域 从 手动到自动 逐渐形成了机械化 自动化 将 PLC 应用到运料小车电气控制系统 可实现运料小车的自动化控制 降低系统 的运行费用 通信和数据连接功能选项使得 PLC 在体积 通信和特殊功能模块等重要 的应用方面非常完美 本课题主要包括 分析被控对象和明确系统控制要求 PLC 选型 确定系统的 I O 设备的数量及种类 控制流程设计 控制程序设计 PLC 在运料小车控制系统中的应用 已经在国内外工程 工厂中得到实际应用 具 有巨大的经济和社会价值 其智能化和自动化的思路值得以后继续深入研究和推广 关键词 PLC 运料小车 控制系统 I O 点 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 1 一 概述 1 11 1 控制系统在运输小车中的作用与地位控制系统在运输小车中的作用与地位 在现代化工业生产中 为了提高劳动生产率 降低成本 减轻工人的劳动负担 要求整个工艺生产过程全盘自动化 这就离不开控制系统 控制系统是整个生产线的灵魂 对整个生产线起着指挥的作用 一旦控制系统出 现故障 轻者影响生产线的继续进行 重者甚至发生人身安全事故 这样将给企业造 成重大损失 运输小车是基于 PLC 控制系统来设计的 控制系统的每一步动作都直接作用于运 输小车的运行 因此 运输小车性能的好坏与控制系统性能的好坏有着直接的关系 运输小车能否正常运行 工作效率的高低都与控制系统密不可分 1 21 2 运料小车的发展概况运料小车的发展概况 由于PLC的不断发展和革新 使得生 产线的运输控制也 将得到不 断的改善和生 产率的不 断提 高 运料小车控制经历了以下几 个阶段 1 手动控制 在20世纪60年代末70年代初期 便有一些工 业生产采用PLC来实现运 料小车的 控制 但是由于 当时的技术还不够成熟 只能 够用手动的方式 来控制机器 而且早期 运料小车控制 系统多为继电 器一接 触器组成的复杂系统 这种系统存在设计周期长 体积大 成本高等缺陷 几乎无 数据处理和通信功能 必 须有专人负责操作 2 自动控制 在20世纪80年代 由于 计算机的价格下降 这时的大型工控企 业将PLC充分的 与计算机相 结合 通 过机器人技 术 自动化设备终 于实现了PLC在运料小车控制系 统在自动方面的 应用 3 全自 动控制 现阶段 由于PLC技术的向高性能 高速度 大容量 发展大型PLC大多采用多 CPU结构 不断向高性能 高速度和大容量方向发展 将PLC运用到运料小车控制系 统 可实现运 料小车的全自 动控制 降低系 统的运行费用 PLC运料小车自动控制系 统具有连线简单 控制速度快 精度高 可靠性和可 维护性好 维修和改造 方便等 优点 1 31 3 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 通过 PLC 控制运料小车在工作台上各呼叫站间运动 以达到生产实际之用 分析被控 对象和明确系统控制要求 PLC 选型 确定系统的 I O 设备的数量及种类 控制流程设 计 控制程序设计 二 功能需求分析 2 2 1 1 控制系统介绍控制系统介绍 本控制系统主要是用于控制运输小车的自动运输 它既能减轻人的劳动强度又能自动 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 2 准 确到达人不能达到或很难到达的预定位置 确定输入 输出电器 每个工位应设置一个限位开关和一个呼车按钮 系统要有用于 启动 SB1 和停止 SB2 的按钮 这些是 PLC 的输入元件 I2 0 I2 1 小车要用一台电 动机拖动 电动机正转时小车驶向高位 反转时小车驶向低位 电动机正转反转各需 要一个接触器 是 PLC 的执行元件 另外各工位还要有指示灯作呼车显示 因为小车 到达每个工位要停止 所以每个工位要装有限位开关 当小车到达各个工位碰撞限位 开关 限位开关给 PLC 一个信号使电机停止转动 小车失去动力停在这个呼车工位 电动机和指示灯是 PLC 的控制对象 各工位的限 位开关和呼车按 钮的布置如图 1 1 所示 图 1 1 各工位的限位开关和呼车按钮的布置 图中 ST 和 SB 的编号也是各工位的编号 ST 为滚轮式 可自动复位 用 PLC 对运输小车实现控制 其具体要求如下 1 PLC 得电后 车停在 1 到 8 某个加工点 称为工位 若没有用车呼叫 称为呼 车 时 则呼车指示灯亮 表示 1 到 8 各工位可以呼车 2 若某工位呼车 按本位的呼车按钮 时 则呼车指示灯熄灭 表示此后呼车无 效 3 系统停止时 呼车无效 系统启动后 当呼车位号大于停车位号时 小车自 动向高位行驶 当呼车位号小于停车位号时 小车自动向低位行驶 当小车到达呼车 位时 自动停车 4 在小车到达呼车位的30s时间内 仅供本车位使用 呼车操作无效 只有当 30s 延时时间到以后 小车才能重新响应呼车信号 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 3 5 临时停电后再复电 小车不会自行起动 2 22 2 可编程控制器可编程控制器 PLCPLC 的特点的特点 可编程控制器 PLC 对用户来说 是一种无触点设备 改变程序即可改变生产工艺 目前 可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具 得到了广泛的推广应用 可编 程控制器是面向用户的专用工业控制计算机 具有可靠性高 抗干扰能力强 配套齐 全 功能完善 适用性强 易学易用 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易 改造 体积小 重量轻 能耗低 2 32 3 小车运输系统方案的选择小车运输系统方案的选择 实现小车运输系统控制有很多方法来实现 可以用单片机 可编程控制器 PLC 等 元器件来实现 但在单片机控制系统电路中需要加入 A D D A 转换器 线路复杂 还要分配大量 的中断口地址 而且单片机控制电路易受外界环境的干扰 也具有不稳定性 另外控 制程序需要具有一定编程能力的人才能编译出 在维修时也需要高技术的人员才能修 复 所以在此也不易用单片机来实现 而从 PLC 的特点了解可知 PLC 具有很多优点 因此我们归纳出 可编程控制器 PLC 具有很高的可靠性 通常的平均无故障时间都在 30 万小时以上 安装 操作和维 护也较容易 编程简单 PLC 的基本指令不多 编程器使用比较方便 程序设计和产品 调试周期短 具有很好的经济效益 此外 PLC 内部定时 计数资源丰富 可以方便地 实现对运输小车的控制 因此 最终我选择了用可编程控制器 PLC 来实现运输小车系统的控制 完成本次 的设计题目 2 42 4 运料小车控制系统的控制内容与要求运料小车控制系统的控制内容与要求 2 4 1 运料小车的运动流程 某自动生产线上运料小车的运动如图 1 1 所示 运料小车由一台三相异步电动机拖动 电机 正转 小车向高位行 电机反转 小车向低 位行 电动机正反转主电路图如图 3 2 所示 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 4 图 3 2 三相异步电动机正反转主电路图 在生产线上有 8 个编号为 l 8 的站点供小车停靠 在每一个停靠站安装一个行程 开关以监测小车是否到达该站点 对小车的控制除了启动按钮和停止按钮之外 还设 有 8 个呼叫按钮开关 SB1 SB8 分别与 8 个停靠站点相对应 2 4 2 设备控制要求 运料小车在自动化生产线上运动的控制要求如下 1 按下启动按钮 系统等待 30 秒开始工作 按下停止按钮 系统停止工作 2 若某工位呼车 按本位的呼车按钮 时 则呼车指示灯熄灭 表示此后呼车 无效 3 系统停止时 呼车无效 系统启动后 当呼车位号大于停车位号时 小车 自动向高位行驶 当呼车位号小于停车位号时 小车自动向低位行驶 当小车到达呼 车位时 自动停车 4 在小车到达呼车位的30s时间内 仅供本车位使用 呼车操作无效 只有 当30s 延时时间到以后 小车才能重新响应呼车信号 5 临时停电后再复电 小车不会自行起动 2 52 5 方案论证方案论证 早期运输小车电气控制系统多为继电器 接触器组成的复杂系统 这种系统存在设 计周期长 体积大 成本高等缺陷 几乎无数据处理和通信功能 必须有专人负责操 作 后来 单片机应用到运料小车控制系统中 单片机有优异的性能价格比 集成度 高 体积小 有很高的可靠性 控制功能强 低功耗 低电压 便于生产便携式产品 外部总线增加了 IC 及 SPI 单片机的系统扩展和系统配置较典型 规范 容易构成各 种规模的应用系统 单片机编程方法复杂 不容易上手 使用于简单应用 将 PLC 应用到运料小车电气控制系统 可实现运料小车的自动化控制 降低系统 的运行费用 PLC 运料小车电气控制系统具有连线简单 控制速度快 精度高 可靠性 和可维护性好 安装 维修和改造方便等优点 运料小车控制系统的控制系统构成图 如 3 3 所示 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 5 图 3 3 运料小车控制系统图 三三 具体设计具体设计 3 13 1 PLCPLC 的选型的选型和程序设计和程序设计 在 PLC 日益成为工厂自动化基本技术平台的时代 如何选用一部适合的 PLC 即满 足技术要求 又能实现经济效益 是一项重要课题 PLC 本身强调的特色为 体积小 功能强 操作简便 程序设计简易 模块扩充性好 通信方便等 针对上述要求选择 PLC 控制系统 西门子公司的 S7 200 系列 PLC 以其功能强 功能强大 性价比高等特 点受到广泛青睐 因为该设计需要 18 个输入和 11 个输出故需要 CPU 有至少 18 个数字 量输入 PLC 故满足这一技术要求的 S7 200 系列 PLC 的 CPU 类型有 224 224XP 226 等 PLC 的选型不但要满足技术要求 还要考虑到经济性 因此这里选用 S7 200 系列 的 226PLC 3 1 1 S7 200 CPU 226 简介 CPU226 集成 24 输入 16 输出共 40 个数字量 I O 点 可连接 7 个扩展模块 最大 扩展至 168 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 16K 字节程序和数据存储空间 6 个独 立的 30kHz 高速计数器 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出 具有 PID 控制器 1 个 RS485 通讯 编程口 具有 PPI 通讯协议 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力 I O 端子可很容易地整体拆卸 是具有较强控制能力的控制器 3 3 2 2 系统变量定义及分配表系统变量定义及分配表 根据控制要求 PLC 控制运输小车的输入 输出 I 0 地址编排如下表所示 表 4 1 I O 地址分配 输入输出 启动按钮 停止按钮 8 个呼叫按钮 8 个行程按钮 P L C 三相异步电动机 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 6 I2 0起始按钮 SB9Q0 0电动机正传 KM1 I2 1停止按钮 SB10Q0 1电动机反传 KM2 I0 01 号工位呼车 SB1Q0 2呼车指示灯 HL I0 12 号工位呼车 SB2Q1 01 号工位成功呼车指示灯 I0 23 号工位呼车 SB3Q1 12 号工位成功呼车指示灯 I0 34 号工位呼车 SB4Q1 23 号工位成功呼车指示灯 I0 45 号工位呼车 SB5Q1 34 号工位成功呼车指示灯 I0 56 号工位呼车 SB6Q1 45 号工位成功呼车指示灯 I0 67 号工位呼车 SB6Q1 56 号工位成功呼车指示灯 I0 78 号工位呼车 SB7Q1 67 号工位成功呼车指示灯 I1 01 号工位限位开关 SQ1Q1 78 号工位成功呼车指示灯 I1 12 号工位限位开关 SQ2 I1 23 号工位限位开关 SQ3 I1 34 号工位限位开关 SQ4 I0 45 号工位限位开关 SQ5 I1 56 号工位限位开关 SQ6 I1 67 号工位限位开关 SQ7 I1 78 号工位限位开关 SQ8 3 33 3 系统接线图设计系统接线图设计 PLC 型号的选择 由于该系统是在原来 CPU226 的基础上改进的设备 而现在共用 了 18 个输入 用直流 24V 11 个输出 用交流电 220V 所以我选择用 S7 200 系列 CPU226 CPU226 的主要的技术参数 输入 24VDC 24 点 输出 220VAC 16 点 电源电 压为 220V 50Hz 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 7 图 4 1 系统接线图 3 43 4 控制系统程序设计控制系统程序设计 运料小车控制系统流程图如图 4 2 所示 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 8 系统启动 传送停车位信号 传送呼车位信号 何处呼 车车 呼车信号封锁 小车驶向高位小车驶向低位 小车到达呼车位停 30s 有呼车 解除呼叫信号封锁 有 无 高位 呼 低位 呼 图 4 2 运料小车控制系统流程图 根据运料小车控制系统流程图 可以确定本次设计的自动运输小车梯形图分别如下 3 4 1 系统的起停控制 按下启动按钮 SB9 则输入点 I2 0 接通 M0 0 保持得电系统运行 M0 0 得电常开闭合定时器 T37 开始计时 计时器定时设置 30 秒 三十秒后 T37 的常 触点闭合 三十秒后 T37 的常开触点闭合工作指示灯 Q0 2 点亮 可以呼车 3 4 2 系 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 9 统的呼车控制 中间继电器 M1 0 M1 7 各代表 1 号工位到 8 号工位呼车状态 而 Q1 0 Q1 7 各代 表呼车成功的状态 如果此工位呼车成功 本工位小灯就点亮直到小车运动至本工位 熄灭 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 10 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 11 3 4 3 系统的呼车反转控制 当呼车位号小于停车位号时 电动机反转 小车自动向低位行驶 中间继电器 M4 0 M4 6 各代表 1 号工位到 7 号工位反转向低位行驶的状况 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 12 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 13 3 4 4 系统 的呼车 正转控制 呼车位号大于停车位号时 电动机正传 小车自动向高位行车 中间继电器 M3 0 M3 6 各代表 8 号工位到 2 号工位反转向低位行驶的状况 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 14 电动机反转 小车自动向 低位行驶 中间继 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 15 电器 M4 0 M4 6 并联输出 Q0 1 电动机正传 小车自动向高位行驶 中间继电器 M3 0 M3 6 并联输出 Q0 0 3 53 5 系统调试及结果分析系统调试及结果分析 3 5 1 系统调试及解决的问题 本程序是用梯形图所写的 在调试时由于涉及 8 工位呼车 非常复杂所以在编写 编译时 选择各个击破的方式 1 先考虑安装启停按钮 启动后呼车指示灯点亮 2 然后考虑 8 工位呼车时 如有一方呼车 呼车指示灯熄灭 此后其它工位呼 车无效 装卸料小车多方式运行的 PLC 控制系统设计 崔长远 16 3 再就考虑电动机反转时 1 到 8 工位呼车 怎么样的情况小车满足向低位行驶 还有就是电动机正传时 1 到 8 工位呼车 怎么样的情况小车满足向高位行驶 各个工 位正反转分析 4 最后考虑小车到达呼车位 30 秒后呼车才会有效 将系统梯形图导入西门子仿真软件进行仿真 选择 CPU 型号为 226 后装载程序 检查程序无误后将仿真软件切换到运行状态 按下启动开关 SB9 I2 0 所对应的指示 灯亮 计时器 T37 开始计时 30S 后呼车指示灯 Q0 2 亮可以呼车 按下某工位呼车按 钮 I1 0 I1 7 所对应的指示灯亮 根据小车停止的位置 判断小车即将是向高位行驶 还是低位行驶 确定输出正反转继电器 Q0 0 或 Q0 1 对应的指示灯也同时亮 表明小 车正向被呼的工位运行 此时手动按下对应的限位开关 I0 1 I0 7 对应的灯也亮 表 明小车到达被呼叫的工位 此时定时器清零 开始新一轮的定时 30 秒 接着按下停止 开关 SB10 I2 1